化工原理课程设计换热器的设计—水冷却牛奶

1、设计题目：换热器的设计水冷却牛奶设 计 者：班级 ：食品1001 姓名: 张红梅 学号:20103248班级 ：食品1002 姓名: 王清 学号:20103277指导教师：李凤设计成绩：进度 说明书 图纸 总分 日 期： 年 月 日西南科技大学 生命科学与工程学院目 录一设计任务和设计条件41.1设计题目 4 1.2设计条件41.3设计任务4二设计方案简介42. 设计原则42.1 换热器类型的选择5 2.2流径的选择 72.3设计流程图 7三确定设计方案83.1.选择换热器的类型83.2.流体流入空间的选择 93.3.流向的选择 93.4.确定物性数据 9四计算总传热系数104.1计算热负荷1

2、04.2冷却水的用量104.3平均温差103. 4估算传热面积114.5初选换热器规格11五、核算总传热系数115.1管侧传热系数115.2壳侧传热系数12 5.3污垢系数12 5.4总传热系数135.5面积裕度135.6管壁温度13六、核算压强降146.1管程压强降：146.2壳程压强降157、 辅助设备的计算及选型167.1管箱167.2封头167.3旁路挡板167.4折流板177.5接管177.6导流筒187.7、放气孔、排气孔18八、设计结果一览表18九 对设计的评述12十参考文献21一设计任务和设计条件1.设计题目：水冷却牛奶2.设计条件：(1)纯牛奶 处理量：70（6080范围选）

3、吨/小时、进口温度：100、出口温度：30、压强降：管程 80kPa壳程 50kPa (2)冷却水进口温度：24、出口温度：32。3.设计任务：(1)根据设计条件选择合适的换热器型号，并核算换热面积、压力降是否满足要求，并设计管道与壳体的连接，管板与壳体的连接、折流板等。(2)绘制列管式换热器的装配图。(3)编写课程设计说明书。二、设计方案简介换热器是化工、石油、食品及其他许多工业部门的通用设备，在生产中占有重要地位。由于生产规模、物料的性质、传热的要求等各不相同，故换热器的类型也是多种多样。按用途它可分为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等。根据冷、热流体热量交换的原理和方式可分为三大类

4、：混合式、蓄热式、间壁式。 间壁式换热器又称表面式换热器或间接式换热器。在这类换热器中，冷、热流体被固体壁面隔开，互不接触，热量从热流体穿过壁面传给冷流体。该类换热器适用于冷、热流体不允许直接接触的场合。间壁式换热器的应用广泛，形式繁多。 直接接触式换热器又称混合式换热器。在此类换热器中，冷、热流体相互接触，相互混合传递热量。该类换热器结构简单，传热效率高，适用于冷、热流体允许直接接触和混合的场合。常见的设备有凉水塔、洗涤塔、文氏管及喷射冷凝器等。 蓄热式换热器又称回流式换热器或蓄热器。此类换热器是借助于热容量较大的固体蓄热体，将热量由热流体传给冷流体。当蓄热体与热流体接触时，从热流体处接受热

5、量，蓄热体温度升高后，再与冷流体接触，将热量传给冷流体，蓄热体温度下降，从而达到换热的目的。此类换热器结构简单，可耐高温，常用于高温气体热量的回收或冷却。其缺点是体积庞大且不能完全避免两种流体的混合。 常见的列管换热器主要有固定管板式、带膨胀节的固定管板式、浮头式和U形管式等几种类型 2.1 换热器类型的选择 根据列管式换热器的结构特点，主要分为以下四种。以下根据本次的设计要求，介绍几种常见的列管式换热器。 1.固定管板式换热器固定管板换热器的两端和壳体连为一体，管子则固定于管板上，它的结余构简单；在相同的壳体直径内，排管最多，比较紧凑；由于这种结构式壳测清洗困难，所以壳程宜用于不易结垢和清洁

6、的流体。当管束和壳体之间的温差太大而产生不同的热膨胀时，用使用管子于管板的接口脱开，从而发生介质的泄漏。 2.U型管换热器 U型管换热器结构特点是只有一块管板，换热管为U型，管子的两端固定在同一块管板上，其管程至少为两程。管束可以自由伸缩，当壳体与U型环热管由温差时，不会产生温差应力。U型管式换热器的优点是结构简单，只有一块管板，密封面少，运行可靠；管束可以抽出，管间清洗方便。其缺点是管内清洗困难；哟由于管子需要一定的弯曲半径，故管板的利用率较低；管束最内程管间距大，壳程易短路；内程管子坏了不能更换，因而报废率较高。此外，其造价比管定管板式高10%左右 3.浮头式换热器浮头式换热器其结构特点是

7、两端管板之一不与外科固定连接，可在壳体内沿轴向自由伸缩，该端称为浮头。浮头式换热器的优点是党环热管与壳体间有温差存在，壳体或环热管膨胀时，互不约束，不会产生温差应力；管束可以从壳体内抽搐，便与管内管间的清洗。其缺点是结构较复杂，用材量大，造价高；浮头盖与浮动管板间若密封不严，易发生泄漏，造成两种介质的混合。 4.填料函式换热器 填料函式换热器其特点是管板只有一端与壳体固定连接，另一端采用填料函密封。管束可以自由伸缩，不会产生因壳壁与管壁温差而引起的温差应力。填料函式换热器的优点是结构较浮头式换热器简单，制造方便，耗材少，造价也比浮头式的低；管束可以从壳体内抽出，管内管间均能进行清洗，维修方便。

8、其缺点是填料函乃严不高，壳程介质可能通过填料函外楼，对于易燃、易爆、有度和贵重的介质不适用。2.2流径的选择： 在具体设计时考虑到尽量提高两侧传热系数较小的一个，使传热面两侧传热系数接近；在运行温度较高的换热器中，应尽量减少热量损失，而对于一些制冷装置，应尽量减少其冷量损失；管、壳程的决定应做到便于清洗除垢和修理，以保证运行的可靠性。 参考标准： (1) 不洁净和易结垢的流体宜走便于清洗管子，浮头式换热器壳程便于清洗。 (2) 腐蚀性的流体宜走管内，以免壳体和管子同时受腐蚀，而且管子也便于清洗和检修。 (3) 压强高的流体宜走管内，以免壳体受压，其中冷却介质循环水操作压力高，宜走管程。 (4)

9、 饱和蒸气宜走管间，以便于及时排除冷凝液，且蒸气较洁净，冷凝传热系数与流速关系不大。 (5) 被冷却的流体宜走壳程，便于散热，增强冷却效果。 (6) 需要提高流速以增大其对流传热系数的流体宜走管内，因管程流通面积常小于壳程，且可采用多管程以增大流速。 (7) 粘度大的液体或流量较小的流体，宜走壳程，因流体在有折流挡板的壳程流动时，由于流速和流向的不断改变，在低Re(Re100)下即可达到湍流，以提高对流传热系数。 (8) 若两流体的温度差较大，传热膜系数较大的流体宜走壳程，因为壁温接近传热膜系数较大的流体温度，以减小管壁和壳壁的温度差。2.3设计流程图三确定设计方案3.1.选择换热器的类型两流

10、体温的变化情况：热流体（牛奶）进口温度 100 出口温度 30；冷流体（水）进口温度 24，出口温度为 32，该换热器用循环冷却水冷却，因温差较大，属于高温操作，因此选择浮头式换热器。 3.2.流体流入空间的选择 从两物流的操作压力，难易结垢来说，应使走牛奶管程，冷却水走壳程，因为:不易清洗和易结垢的液体宜在管程，因管内清洗方便。因为牛奶在高温下容易结垢，所以应使牛奶走管程，冷却水走壳程。 3.3.流向的选择 冷、热流体的进出口温度相同时，逆流操作的平均推动力大于并流，因而传递同样的热流体，所需的传热面积较小。逆流操作时，冷却介质温升可选择得较大因而冷却介质用量可以较小。显然在一般情况下,因工

11、艺上无特殊要求，逆流操作有利于传热效果，所以选用逆流操作3.4.确定物性数据 牛奶的定性温度： T= =65 水的定性温度： t=28(表一)两流体在定性温度下的物性数据牛奶在65度下的物性数据 水在28度下的物性数据密度=1030（kg/m)i=996.2（/）比热容Cp= 3.9 kJ/（Kg )Cpi=4.176kJ/（Kg )黏度u=1.5(pa.s)ui=0.845210(pa.s)导热系数=0.53W/(m.)i=0.614W/(m.)四计算总传热系数4.1计算热负荷Q=00=5308333(W)4.2冷却水的用量Wi=4.3平均温差tm1=P=(t2-t1)/(T1-t1)=1.

12、05R=(T1-T2)/(t2-t1)=8.75由图按单壳程，双管程结构得=0.88即平均温差：4.4.计算传热面积 根据牛奶的粘度，传热系数K的大致范围2，取K=530W,则估算传热面积：4.5初选换热器规格表2 换热器的相关参数壳径（mm）1200管子尺寸（mm）19x2公称压强(MPa)2.5管长(m)6公称面积(）468.2管子总数n1348管程数（Np）6管子排列方法正方形旋转45中心排管数27管程流通面积（）0.0396实际传热面积：=ndl=13483.140.0196=482.5要求过程的总传热系数为K= W/(.)五、核算总传热系数5.1、管程的给热系数管程流通面积 m/s因

13、为 2300Rei500 17.72ka50ka,壳程流体压强降在允许范围之内。 综上，管程壳程流体压强降都在允许范围之内。七、辅助设备的计算及选型7.1管箱因为DN=1200mm900mm 之间，所以应选封头管箱。7.2封头因为DN400mm，所以采用圆形封头。7.3旁路挡板因为DN=1200mm，在800mm1200mm 之间，所以旁路挡板数量选3 对。7.4折流板 采用缺25%的圆缺型折流板。Nc=27取隔板间距B=450mm7.5、接管程流体进出口接管：取接管内牛奶流速u1=1.5m/s，则接管内径为壳程流体进出口接管：取接管内冷却水流速u1=1.0m/s，则接管内径为7.6、导流筒

14、壳程流体的进出口和管板间必须存在有一段流体不能流动的空间（死角），为了提高传热效果，常在管束外增设导流筒，使流体进出壳程时必然经过这个空间。7.7、放气孔、排气孔 换热器的壳体上常设有放气孔、排气孔，以排除不凝气体和冷凝液等。 八、设计结果一览表表 设计结果一览表参数壳程管程流量/kg/h57200070000进/出口温度/24/32100/30压力/KPa5080物性定性温度/2865密度/kg/996.21030定压比热容/ kJ/(kg )4.1763.9粘度/（Pas）0.84521.5热导率（W/mk）0.6140.53普朗特数5.7511.04设备结构参数形式浮头式壳程数1壳体内径

15、/mm1200台数1管径/mm管心距/mm25管长/mm6000管子排列正方形旋转管目数/根1348折流板数/个12传热面积/468.2折流板间距/mm450管程数6材质不锈钢主要计算结果壳程管程流速/(m/s)1.4170.48表面传热系数/（6451.81304.13污垢热阻/（.)0.0001720.000172热流量/W5308333传热温差/22.48传热系数/609.7裕度/%20.88%九 对设计的评述本次设计，我们通过在图书馆和网上查阅了大量的相关资料，保证了牛奶和水的参数的准确性，在设计换热器时，通过大量的讨论和计算，使设计的结果尽量完美，满足工业化的要求。同时通过这次设计,我们学会了查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力；树立了既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；培养了迅速准确的进行工程计算的能力；掌握如何更好的利用好数据，运用工程制图，计算机这些学过的课程去设计，加强了我们的动手能力，综合能力。在设计过程中，我们认真对待，全面思考和准备，尽自己最大的能力去做好这次的设计 这次是我们第一次做课程设计，难免有一些不足的地方，请老师批评指正。十 参考文献乳与乳制品工艺学，张兰威主编